Các kiểu kết nối cần khoan đá: Hình nón, ren và DTH — Kiểu nào phù hợp ở đâu và tại sao

Mỗi cần khoan trên thế giới đều có hai đầu, và kiểu kết nối ở hai đầu đó quyết định sự sống còn của cần khoan. Chọn sai kiểu kết nối cho ứng dụng, bạn sẽ phải dành cả ca làm việc để vật lộn với cần khoan bị kẹt, ren bị mòn và hỏng hóc sớm. Chọn đúng kiểu kết nối, và các mối nối sẽ trở thành xương sống vô hình của chương trình khoan – bạn không cần phải nghĩ đến chúng vì chúng hoạt động hiệu quả.

Khoan đá sử dụng ba nhóm khớp nối chính: khớp nối côn cho máy khoan khí nén cầm tay, khớp nối ren vai cho máy khoan thủy lực cỡ lớn và máy khoan bề mặt, và khớp nối DTH cho hệ thống búa khoan xuống lỗ. Mỗi loại có đặc điểm vật lý riêng, các chế độ hỏng hóc riêng và các quy tắc riêng để lắp đặt đúng cách.

Các mối nối hình nón: Hình học đơn giản, đòi hỏi sự khớp nối chính xác.

Kiểu kết nối phổ biến nhất trong các dụng cụ khoan cầm tay đường kính nhỏ — ví dụ như mũi khoan tròn 22 đến 42 mm dùng cho máy khoan khí nén — là kiểu kết nối côn. Mũi khoan có ổ cắm hình côn, cần khoan có chuôi hình côn tương ứng, và chúng được ăn khớp với nhau chỉ bằng ma sát. Không có ren, không có vòng giữ, không có gì khác ngoài sự ăn khớp chặt giữa hai bề mặt hình nón được mài chính xác.

Góc côn khá nông — thường là 7 độ hoặc 12 độ, tùy thuộc vào tiêu chuẩn — điều này có nghĩa là mối nối tự khóa. Lực dọc trục từ mũi khoan đẩy phần côn siết chặt hơn. Mũi khoan giữ chặt vì lực ma sát giữa hai bề mặt, nhân với hiệu ứng nêm của góc côn nông, vượt trội hơn bất kỳ lực nào cố gắng kéo nó ra.

Ưu điểm nổi bật của khớp nối côn là sự đơn giản của nó. Không có ren dễ bị kẹt, không có vòng giữ dễ bị hỏng, không cần gia công phức tạp. Nhược điểm là mọi thứ phụ thuộc vào độ chính xác của khớp nối. Một độ côn dù chỉ hơi lệch – một phần thân thanh bị mòn quá nhỏ, một đầu nối mũi khoan bị biến dạng – sẽ không giữ được. Mũi khoan sẽ bị tuột ra trong quá trình khoan, và việc lấy một mũi khoan bị lỏng ra khỏi đáy lỗ không phải là điều dễ dàng.

Trước mỗi lần kết nối, cần phải làm sạch đầu côn. Bụi đá, bùn hoặc rỉ sét trên cả hai bề mặt sẽ ngăn cản sự tiếp xúc hoàn toàn, và sự tiếp xúc không hoàn toàn sẽ khiến mũi khoan bị lỏng. Chỉ cần lau nhanh bằng giẻ là đủ, nhưng bỏ qua bước này là nguyên nhân phổ biến nhất gây mất mũi khoan khi khoan côn.

Khi phần côn bị mòn — và nó chắc chắn sẽ bị mòn, vì mỗi nhát búa đều tạo ra một sự trượt nhỏ giữa hai bề mặt — mũi khoan bắt đầu lún sâu hơn vào cần. Cuối cùng, mũi khoan sẽ chạm đáy ổ cắm trước khi phần côn khớp hoàn toàn. Đó là dấu hiệu cho thấy cần phải thay thế. Tiếp tục sử dụng phần côn đã mòn sẽ làm biến dạng ổ cắm mũi khoan, và một khi ổ cắm bị méo, cần khoan mới cũng sẽ không khớp đúng cách.

Kết nối ren R và ren T: Phần vai đảm nhiệm mọi công việc.

Đối với các loại máy khoan thủy lực và khí nén đường kính lớn — loại được sử dụng trong đào hầm, tạo bậc thang và khoan sản xuất — các mối nối vai có ren là tiêu chuẩn. Hai kiểu ren phổ biến nhất là ren chữ R (ren dây) và ren chữ T, cả hai đều sử dụng một nguyên tắc thiết kế đáng hiểu: các ren định vị và siết chặt, nhưng mặt vai chịu tải.

Trong một mối nối vai được thiết kế đúng cách, các mặt ren kéo chốt và hộp lại gần nhau cho đến khi các mặt phẳng hình vòng – vai chốt và mặt hộp – tiếp xúc hoàn toàn với nhau. Khi các mặt này chạm vào nhau, việc siết chặt hơn nữa sẽ nén các mặt vai vào nhau, và sự tiếp xúc kim loại với kim loại đó trở thành đường truyền tải lực chính cho các lực nén và lực va đập. Ren chủ yếu chịu lực căng và mô men xoắn.

Sự phân chia nhiệm vụ này — ren chịu lực căng, vai chịu lực nén — là lý do tại sao các mối nối này chịu được quá trình khoan va đập. Nếu ren phải chịu tải trọng va đập trực tiếp, sự tập trung ứng suất tại chân ren sẽ gây ra nứt mỏi chỉ trong vài trăm lần va đập đầu tiên. Bằng cách truyền tải lực va đập thông qua các mặt vai, ren được bảo vệ phần lớn khỏi những tác động mạnh nhất của tải trọng va đập.

Điểm bảo dưỡng quan trọng: bề mặt vai của bu lông phải sạch, phẳng và không bị hư hại. Một vết xước hoặc vết lõm trên vai bu lông sẽ ngăn cản sự tiếp xúc hoàn toàn, điều đó có nghĩa là một phần tải trọng va đập đáng lẽ phải truyền qua vai bu lông lại truyền qua các ren. Đó là con đường nhanh nhất dẫn đến hỏng ren do mỏi. Kiểm tra vai bu lông mỗi khi bạn lắp ráp thanh truyền.

Bước ren cũng rất quan trọng. Ren thô hơn — ít ren hơn trên mỗi inch — giúp lắp ráp nhanh hơn và ít bị lệch ren hơn khi thay cần gấp, nhưng chúng lại có lợi thế cơ học kém hơn khi siết chặt. Ren mịn hơn cho phép lắp ráp chính xác hơn và lực kẹp lớn hơn với cùng một mô-men xoắn, nhưng chúng dễ bị hư hỏng hơn và tốc độ kết nối chậm hơn. Việc lựa chọn giữa bước ren thô và mịn là sự đánh đổi giữa tốc độ và độ chính xác, tùy thuộc vào ứng dụng khoan cụ thể.

Kết nối DTH: Nơi chiếc búa ngự trị

Hệ thống búa khoan xuống giếng sử dụng một nguyên lý kết nối hoàn toàn khác. Cần khoan không chỉ truyền chuyển động quay và cấp liệu mà còn dẫn khí nén cao áp qua tâm của nó để cung cấp năng lượng cho pít-tông của búa. Và mối nối giữa cần khoan và búa phải chịu được tất cả những điều đó cộng với lực phản hồi do va đập của búa gây ra.

Các mối nối cần khoan DTH với búa thường sử dụng thiết kế có vai, mặt phẳng với một đoạn ren ngắn. Ren thô và chắc chắn, được thiết kế để lắp ráp và tháo rời nhanh chóng tại hiện trường hơn là đáp ứng yêu cầu làm kín bằng mô-men xoắn cao của ống khoan dầu. Mặt vai chịu tải trọng nén từ áp suất cấp liệu, trong khi ren chịu lực căng khi kéo cần ra và mô-men xoắn trong quá trình quay.

Đầu chốt – đầu có ren ngoài – thường nằm trên thanh nối, còn hộp chốt nằm ở phần đầu búa phía sau. Cách bố trí này có nghĩa là phần ren ngoài dễ bị hư hỏng hơn lại nằm trên bộ phận rẻ hơn và dễ thay thế hơn. Nếu ren bị hỏng, bạn chỉ cần thay một đoạn thanh nối chứ không cần thay cả búa.

Một mối nguy hiểm đặc thù của máy khoan DTH: luồng khí áp suất cao đi qua khớp nối có thể mang theo các hạt đá nhỏ, làm mòn các bề mặt làm kín theo thời gian. Một khớp nối kín hoàn hảo khi mới có thể xuất hiện các đường rò rỉ sau thời gian sử dụng dài, và rò rỉ khí qua khớp nối có nghĩa là lượng khí đến búa ít hơn — điều này có nghĩa là năng lượng va đập ít hơn và tốc độ xuyên thấu chậm hơn. Kiểm tra rò rỉ khí tại khớp nối giữa cần khoan và búa định kỳ bằng cách sờ xem có khí thoát ra không khi máy nén đang chạy nhưng búa không hoạt động.

Nên kết hợp những gì và tại sao

Loại khớp nối phải phù hợp với mũi khoan, kích thước lỗ khoan và điều kiện địa chất. Khớp nối côn rất lý tưởng cho công việc khoan cầm tay đường kính nhỏ vì nó nhanh, đơn giản và ít bị ảnh hưởng bởi điều kiện hiện trường. Khớp nối có vai ren là cần thiết cho việc khoan sản xuất đường kính lớn hơn, nơi tải trọng cao hơn và hậu quả của việc mũi khoan bị lỏng sẽ tốn kém hơn. Khớp nối DTH (Down-Through) là cần thiết khi có búa đập ở đáy lỗ vì khớp nối này phải truyền cả không khí lẫn lực cơ học.

Việc sử dụng các loại đầu nối khác nhau tại cùng một vị trí khoan không phải là vấn đề miễn là mọi người đều biết loại nào phù hợp với loại nào. Vấn đề bắt đầu khi ai đó lấy một mũi khoan côn và cố gắng lắp nó vào một thanh ren vì nghĩ rằng nó "có vẻ vừa". Nhưng thực tế là không vừa. Đầu nối là giao diện giữa nguồn điện và đá, và nếu giao diện đó không đúng, thì mọi thứ phía sau nó đều không hoạt động bình thường.